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DE2353942A1 - Verfahren zur herstellung einer loetfesten kupferschicht - Google Patents

Verfahren zur herstellung einer loetfesten kupferschicht

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Publication number
DE2353942A1
DE2353942A1 DE19732353942 DE2353942A DE2353942A1 DE 2353942 A1 DE2353942 A1 DE 2353942A1 DE 19732353942 DE19732353942 DE 19732353942 DE 2353942 A DE2353942 A DE 2353942A DE 2353942 A1 DE2353942 A1 DE 2353942A1
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DE
Germany
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copper layer
gas
copper
added
layer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
DE19732353942
Other languages
English (en)
Inventor
Helmut Adam
Erhard Goessl
Hans Lutz
Gert Dipl Phys Dr Siegle
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
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Priority to US05/513,548 priority patent/US3930975A/en
Priority to BE149909A priority patent/BE821512A/xx
Priority to GB46187/74A priority patent/GB1483265A/en
Priority to NL7413996A priority patent/NL7413996A/xx
Priority to FR7435912A priority patent/FR2249410B1/fr
Priority to JP49124203A priority patent/JPS5074534A/ja
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Pending legal-status Critical Current

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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/0021Reactive sputtering or evaporation
    • C23C14/0036Reactive sputtering
    • HELECTRICITY
    • H05ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05KPRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K1/00Printed circuits
    • H05K1/02Details
    • H05K1/09Use of materials for the conductive, e.g. metallic pattern
    • HELECTRICITY
    • H05ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05KPRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K3/00Apparatus or processes for manufacturing printed circuits
    • H05K3/10Apparatus or processes for manufacturing printed circuits in which conductive material is applied to the insulating support in such a manner as to form the desired conductive pattern
    • H05K3/14Apparatus or processes for manufacturing printed circuits in which conductive material is applied to the insulating support in such a manner as to form the desired conductive pattern using spraying techniques to apply the conductive material, e.g. vapour evaporation
    • H05K3/16Apparatus or processes for manufacturing printed circuits in which conductive material is applied to the insulating support in such a manner as to form the desired conductive pattern using spraying techniques to apply the conductive material, e.g. vapour evaporation by cathodic sputtering

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Description

23.10.73 Rs/Hm '
Anlage zur
Patent anmeldung
ROBERT BOSCH GMBH, STUTTGART Verfahren zur Herstellung einer lotfesten Kupferschicht
Die Erfindung betrifft ein Verfahren, zur Herstellung einer lötfesten Kupferschicht auf einem Substrat mittels Kathodenzerstäubung.
Einfache Dünnschichtschaltungeri werden hergestellt aus einem auf dem Substrat aufgebrachten Schichtsystem, welches aus der eigentlichen Widerstandsschicht und der gut. leitfähigen Kontaktierungsschicht besteht. Die Widerstandsschicht enthält Nickelchrom (Ni Cr), Tantalnitrid (Ta2 N) und ähnliche. Sofern Anschlüsse auf der Kontaktierungsschicht durch Löten
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befestigt werden sollen, darf diese sich nicht im Lot auflösen, daß heißt sie muß lötfest sein. Bei bekannten Kontaktierungsschichten erreicht man dies entweder dadurch, daß reine Kupferschichten in ausreichender Schichtdicke aufgebracht werden, wobei außer Kupfer auch Edelmetalle Verwendung finden, oder dadurch, daß in oder unter der Schicht sogenannte Diffusionsbremsen eingebaut werden in Form weiterer Schichten aus Eisen, Nickel, Platin, Wolfram oder ähnlichem.
Das Durchlegieren wird besonders schwierig zu beherrschen, wenn zinnreiches Lot, zum Beispiel eutektisches Blei-Zinn-Lot verwendet wird. Die Herstellung von Schichtfolgen und dicken Schichten ist aufwendig und häufig mit besonderen fertigungs- und verfahrenstechnischen Schwierigkeiten verknüpft; hierzu gehören die Beherrschung der Haftfestigkeit, der Phosphorgehalt stromlos aufgebrachter Nickelschichten und die Oxidationsgefahr von Eisenschichten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, möglichst dünne Kupferschichten mit geringem verfahrenstechnischem und fertigungstechnischem Aufwand auf Substrate, insbesondere für Dünnschichtschaltungen, aufzubringen, wobei die Legierungsfreudigkeit des Kupfers soweit herabgesetzt wird, daß ein Durchlegieren der Kupferschicht beim Festlöten von Anschlüssen nicht auftritt. . -
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß dem vorzugsweise aus Argon bestehenden Zerstäubungsgas beim Aufstäuben der Kupferschicht ein weiteres Gas zugesetzt wird, welches teilweise in die Kupferschicht eingebaut wird und die Legierungsfähigkeit des abgeschiedenen Kupfers veringert, ohne daß die Leitfähigkeit gegenüber massivem Reinkupfer stark reduziert wird.
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Als gasförmige Zusätze zum Zerstäubungsgas haben sich" Luft, Stickstoff und Sauerstoff'besonders, bewährt. Der günstigste volumenmäßig Anteil dieser Zusätze ist zwar nicht bei allen Gasen der gleiche sondern er schwankt zwischen 0,5 und 16 % ; die besten Erfolge wurden jedoch erreicht bei Zusätzen zwischen 2 und 4 Volumen-^ des Zerstäubungsgases.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erreichte man sehr lötfeste Kupferschichten, welche einerseits sehr dünn in der Größenordnung von ca. 0,5 /um ausgebildet werden konnten und Vielehe ferner ohne als Diffusionsbremse wirkende Zwischenschicht und ohne Legierungszusätze auskommen.
Weitere Einze/lheiten und vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens werden anschließend an Hand eines Ausführungsbeispieles noch näher erläutert.
Die Schichten werden mit Hilfe der Kathodenzerstäubung hergestellt, wobei dem in der Regel aus Argon bestehenden Zerstäubungsgas Stickstoff CNp), tuft oder Sauerstoff (Op) zugegeben werden. Die Herstellung der Schichten wird so durchgeführt, daß die Leitfähigkeit des abgeschiedenen Kupfers gegenüber massiven Reinkupfer um einen Paktor von 5 bis 7 durch Gaseinbau verengert wird. Dieser Faktor kann auch noch bis auf einen Wert von 2,5 sinken und bis zu einen Wert von 15 anwachsen.
Die weiterhin metallisch blanken Schichten werden mittels Gleichstrom-Kathodenzerstäubung in einer Diodenanordnung ": hergestellt. Die Zerstäubungsspannung beträgt 3 bis 8 kV,
—2 vorzugsweise 6 kV, die Stromdichte 1,2 mAcm j b.ei der Versuchsanordnung hat sich ein ein Abstand zwischen Kathode und Substrat von 555 bis 6 cm bei einer Kathodenfläche von 826 cm und einem Gasdurchsatz von l*.l/h als zweckmäßig
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erwiesen, wobei die besten Schichten bei einem Stickstoff oder Luftzusatz von ca. 2 bis k Volumen-% erzielt worden sind. Die Schichtdicke der aufgestäubten Kupferschichten betrug 0,5/um.
Diese Werte stellen einen vorteilhaften Satz von Zerstäubungsparametern dar, welche jedoch auch unter entpsrechender Berück- ' sichtigung der Abhängigkeiten abgeändert werden können. Die Abstäubrate sinkt bemerkenswerterweise erst bei sehr hohen Sauerstoffzusätzen oberhalb etwa 10 % ab.
Die Lötfestigkeit der Kupferschicht wird wie folgt geprüft:
Auf "dem mit der Widerstands- und der Leitschicht versehenen
2 Substrat wird ein Schaltungsmuster erzeugt , daß 1,5 x 1,5· mm
■große Anschlußpunkte enthält. Das Substrat wird in flüssiges Flußmittel getaucht und anschließend für sechs Sekunden in das flüssige^ eutektische Blei-Zinn-Lot mit einem. Anteil von «4 G*w.% Silber gebracht; danach kühlt man es außerhalb des Lötbades #ieder^?iuf Raumtemperatur ab. Diese Vorgang wird solange wiederholt, bis - meist von den Rändern her anfangend - die lotbedeckte Fläche, auf dem Anschluß kleiner wird. Die Zahl der Versuche vor dem Durchlegieren der Kupferschicht ist ein Maß für die Lot festigkeit."
Durchgeführte Versuche ergaben dbei den genannten Parametern ~ eine Verbesserung gegenüber möglichst sauber hergestellten Schichten schon bei Luftzusätzen von 0,5 Volumen-^. Die Lot festigkeit bleibt nur ganz gering hinter derjenigen zurück, die mit sehr viel höhrem Aufwand mit 2000 A dicken Eisen-Zwischen-schichten erreicht wird. Für die praktischen Anwendungsfälle reicht die nach dem erfindungsgemäßen, sehr viel einfacheren, sichereren und störungsunempfindlicheren Verfahren hergestellte Kupferschicht völlig aus.
Das erfindungs gemäße Herstellverfahren besitzt eine Reihe von.
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ORIGINAL INSPECTED
Vorteilen gegenüber bekannten Verfahren. Die Abstäubraten von Kupfer liegen höher als die von Schichtmaterialien, welche als Diffusionsbremsen geeignet sind. Hierdurch ergibt sich eine beachtliche Kapazitätserhöhung in der'Fertigung. Korrosionsprobleme, wie sie bei Eisen-Zwischenschichten auftreten, gibt es bei der erfindungsgemäßen Kupferschicht nicht. Ferner ist die Haftfestigkeit der Kupferschichten auf Tantal-Oxidnitridschichten verbessert. Die zur Aufstäubung erforderlichen Anlagen können wesentlich vereinfacht werden, insbesondere auf Grund der Vereinfachung des Aufbaus der Kathoden. Widerstandsänderungen der ersten Schicht können bei konstantgehaltenen Aufstäubparametern konstant und vorhersagbar gemacht werden. '
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Claims (10)

  1. Ansprüche
    Verfahren zur Herstellung einer lötfesten Kupferschicht auf einem Substrat mittels Kathodenzerstäubung, dadurch gekennzeichnet, daß dem vorzugsweise aus Argon bestehenden Zerstäubungsgas beim Aufstäuben der Kupferschicht ein weiteres Gas zugesetzt wird, welches teilweise in die Kupfe-rschicht eingebaut wird und die Legierungsfähigkeit des abgeschiedenen Kupfers verringert, ohne daß die Leitfähigkeit gegenüber massivem Reinkupfer stark reduziert wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Zerstäubungsgas Stickstoff (N?) zugesetzt wird.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch I5 dadurch gekennzeichnet, daß dem Zerstäubungsgas Sauerstoff (0„) zugesetzt wird.
  4. *l. Verfahren nach Anspruch I3 dadurch gekennzeichnet, daß dem." Zerstäubungsgas Luft zugesetzt wird.
  5. 5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichet, daß der Volumen-Anteil des zugesetzten-Gases'im Zerstäubungsgas ca. 0,5 % bis 16 %, vorzugsweise 2 % bis 4 % beträgt.
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  6. 6* Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupferschicht ohne als Diffusions-· bremse wirkende Zwischenschicht unmittelbar auf das Substrat aufgestäubt wird.
  7. 7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupferschicht frei von Legierungszusätzen ist.. .
  8. 8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathodenzerstäubung bei einer Gleichsp'annung von ca. 3" ·*- 8 kV, vorzugsweise von 6 kV in einer Diodenanordnung erfolgt,.
  9. 9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasdurchsatz durch das Zerstäubungsgefäß etwa-1 · l/h beträgt.
  10. 10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupferschicht, in einer Dicke von ca. 0,5/im aufgestäubt wird.
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DE19732353942 1973-10-27 1973-10-27 Verfahren zur herstellung einer loetfesten kupferschicht Pending DE2353942A1 (de)

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